（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）挖泥船定位桩立放方式研究.pdf

- 、， 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ： 日期：咖鳜k年罗月7 才日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 囵在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇 j t 作者( 签字) ：惭j 导师( 签字) ： 妒 日期：砷年弓月归日- 屈f 口年多月r 。 一 l 。 1 哈尔滨丁程大学硕+ 学位论文 摘要 进入二十一世纪以来，随着改革开放的步伐不断加大，带动国内的疏浚 市场进入新一轮的黄金发展期，促成了疏浚设备的升级换代以及疏浚船舶技 术的快速发展。 定位桩系统是绞吸式挖泥船的一项重要挖泥设备，对于它的研究备受关 注，然而国内设计单位自主设计能力还十分缺乏。 本文是从解决实际问题的观点出发，分析定位桩的立桩、倒桩过程。主 要内容如下：综合比较定位桩的几种立放及提升方式，选择出一种比较合理 方式进行分析研究：根据力矩平衡原理，对定位桩的立桩和倒桩过程进行分 析，利用v c 得出使定位桩顺利实现立放的外力，并绘出外力曲线图，得出 外力的变化趋势；建立a n s y s 有限元模型分析定位桩的受力，得到应力分 布云图；综合分析最大受力状态，判断此种方法的可行性。 定位桩在立桩过程中所需要的油缸力随倾角的增大而逐渐减小，在倒桩 过程中油缸力先是提供推力推力逐渐减小，后变为提供拉力，但是倒桩时油 缸力无论是推力还是拉力都没有立桩时需要的油缸力大，随着定位桩的转动 油缸变为提供拉力，推力和拉力的转换角大概在7 6 。左右，转动点离尖端越 远油刚所提供的最大推力越小，提供的最大拉力越大。 从定位桩的立桩及倒桩过程中的油缸力变化中不难看出，定位桩在立桩 过程中所需要油缸提供的力较大，所以在选择油缸时首先要满足立桩的要求。 液压油缸可以提供所需要的最大力，也就是使用液压油缸是可行的。 关键词：绞吸式挖泥船；定位桩；立放方式；应力分布 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 a b s t r a c t e n t e r i n gt h et w e n t y f i r s tc e n t u r y , t h ep a c eo fr e f o r ma n do p e n i n gu p i n c r e a s e sc o n s t a n t l y t h er e f o r ma n do p e n i n gu pl e d st h ed o m e s t i c d r e d g i n g m a r k e tt oh a v ee n t e r e dan e wr o u n do ft h eg o l d e np e r i o do fd e v e l o p m e n t ，a n d c o n t r i b u t e st h eu p g r a d i n go fd r e d g i n ge q u i p m e n t sa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to f d r e d g i n gm a r i n et e c h n o l o g y p i l ep o s i t i o n i n gs y s t e mi sa ni m p o r t a n td r e d g i n ge q u i p m e n to ft h ec u t t e r s u c t i o nd r e d g e r ，a n dt h es t u d yo fi tr e c e i v e sm u c ha t t e n t i o n h o w e v e r ，t h ed e s i g n c a p a b i l i t yo ft h ed o m e s t i cc o m p a n i e si sd e f i c i e n tv e r ym u c h i no r d e rt os o l v ep r a c t i c a lp r o b l e m s ，t h ep r o c e s so fs e t t i n g ，l a y i n gd o w na n d l i f t i n gt h eg a u g ep i l e t h em a i nc o n t e n t sa sf o l l o w s ：c o m p a r et h ew a y so fs e t t i n g ， l a y i n gd o w na n dl i f t i n gt h eg a u g ep i l e ，a n da s u i t a b l em e t h o dw a ss e l e c t e d ；b a s e d o nt h em o m e n t e q u i l i b r i u mt h e o r y ，a n a l y s et h ep r o c e s so fs e t t i n g ，l a y i n gd o w n t h eg a u g ep i l e ，a n do b t a i nt h ef o r c et h a ts e t st h eg a u g ep i l eu pa n dd o w n s u c c e s s f u l l y f i n a l l y , t h er e q u i r e dc u r v e so ft h ee x t e r n a lf o r c ew e r ed r e wi no r d e rt o a n a l y s et h et e n d e n c yo fe x t e r n a lf o r c e ；b a s e do nt h ef o r c e e q u i l i b r i u mt h e o r y a n a l y s et h ep r o c e s so fs e t t i n g ，l i f t i n gt h eg a u g ep i l e ，a n do b t a i nt h ef o r c et h a ts e t s t h eg a u g e p i l eu pa n dd o w ns u c c e s s f u l l y f i n a l l y , t h er e q u i r e dc u r v e so ft h ee x t e r n a l f o r c ew e r ed r e wi no r d e rt oa n a l y s et h et e n d e n c yo fe x t e m a lf o r c e ；a n a l y s et h e m a x i m u ms t r a i n e dc o n d i t i o n ，a n dj u d g ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d t h ef u e lt a n ko ff o r c er e q u i r e di nt h ep r o c e s so ft h eg a u g ep i l es t a k i n g d e c r e a s e sg r a d u a l l yw i t ht h ei n c l i n a t i o ni n c r e a s i n g i nt h ep r o c e s so fs t a k i n go u t nle p i l et 1 1 e f o r c ep r o v i d e db yt 1 1 ef i j e lt a l l l ( 衔s ti st 1 1 m s t 柑c hd e c r e a s e s g r a d u a l l y , t h e nt h ef o r c eb e c o m e st h ep u l l i n gf o r c e b u ti nt h ep r o c e s so ft h eg a u g e p i l es t a k i n g ，n om a t t e rt h et h r u s to rt h ep u l lb o t ha r es m a l l e rt h a nt h ef o r c en e e d e d 哈尔滨t 程大学硕+ 学何论文 i nt h ep r o c e s so fs e t t i n gt h ep i l e w i t ht h eg a u g ep i l er o t a t i o nt h ef o r c ep r o v i d e d b y t h ef u e lt a n kb e c o m et h ep u l l t h ea n g l et h et h r u s tb e c o m i n gt h ep u l li sm o r eo r 声less 7 6 。t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h er o t a t i o np o i n ta n dt h ep i l et i pi sd i s t a n t ，t h e m o s tb i g g e s tt h r u s ti ss m a l l e r ，a n dt h em o s tb i g g e s tp u l li sb i g g e r i ti sn o td i f f i c u l tt os e et h a tt h ef o r c ep r o v i d e db yt h ef u e lt a n ki nt h ep r o c e s s o ft h eg a u g ef i l es e t t i n gi sb i g ，s oi nt h ec h o i c eo ft h ef u e lt a n kw h i c hf r i s ts h o u l d s a t i s f yt h en e e do ft h ef o r c ef o rs e t t i n gt h ef i l e h y d r a u l i cc y l i n d e rc a np r o v i d e t h er e q u i r e dm o s ts t r o n g l y , t h a ti s ，t h eu s eo fh y d r a u l i cc y l i n d e ri sf e a s i b l e k e yw o r d s ：c u t t e rs u c t i o nd r e d g e r ；g a u g ep i l e s ；s e t t i n gw a y ；l i f t i n gf o r c e 庸 1 3 第2 章 2 1 2 2 2 - 3 2 4 2 5 第3 章 3 1 3 2 3 3 3 4 章心 第 席 哈尔滨下程大学硕+ 学位论文 3 4 1 整理数据3 7 3 4 2 绘图及分析4 2 3 5 本章小结“4 8 第4 章建立有限元模型4 9 4 1a n s y s 简介4 9 4 1 1 概j 述”4 9 4 1 2a n s y s 的分析类型及板块“5 0 4 2 建立定位桩的a n s y s 模型“5 2 4 2 1 实体建模：5 2 4 2 2 划分网格5 8 4 3 习屯解6 0 4 4 后处理6 0 4 5 本章小结。7 2 结论”7 3 参考文献7 4 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果7 7 致谢”7 8 ，l 意 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 研究定位桩立放方式的目的及意义 由于近年来，国内外疏浚市场非常火爆，对于各种挖泥船都有旺盛的需 求，国内的众多设计单位和修造船厂设计和建造了为数众多的大中型的绞吸 式、耙吸式及斗轮式挖泥船，并已开始了超大型的各式挖泥船的设计与建造， 由于挖泥船定位桩的重量大且长度也很长，考虑到挖泥船在行驶过程中安全 阻力及过桥时的高度问题，在船航行时需要将定位桩水平放置，而在挖泥船 进行疏浚作业时需要将定位桩竖直插入泥中，这就涉及到定位桩的立放，这 是一个复杂的过程，但是，定位桩作为绞吸式挖泥船的一项重要的专用挖泥 设备，国内的技术还不够成熟，自主设计能力还十分缺乏，因此，对定位桩 立放方式的研究仍然是一个值得关注的问题。 定位桩台车系统是绞吸式挖泥船、斗轮式挖泥船及耙吸式挖泥船的重要 挖泥设备，定位桩台车系统是由定位桩和支撑它并将定位桩与船体连接的台 车组成，般情况下定位桩台车系统是安装在船艏或船艉的台车开槽内。绞 吸式挖泥船定位桩的一般包含2 根定位钢桩，分别称为主桩和辅桩，其中主 桩又称工作桩，安装在台车上，起主要作用，辅桩主要在船舶在工作过程中 前进时起辅助作用。另外，有时由于大型的自航绞吸挖泥船的排水量大，往 往要考虑增加其自持力，随船备用l 根钢桩，同时设计成能自己更换钢桩， 需要特殊的设备来完成此功能。一般来说，主桩和台车布置在船中艉部的开 槽中，辅桩位于左或右舷艉部。在一个挖泥周期中，主桩先插入泥土用于疏 浚船舶的定位，随后通过位于定位桩台车与船体之间的推动装置使定位桩与 船体发生相对位移，由于定位桩固定于泥底，所以船体相对定位桩前移，并 通过位于船体前部的左右横移绞车和锚缆实现以主桩为转动中心的扇型扫挖 泥面。当主桩处于船体艉部最末端时，船体将不能再前移，此时将辅桩插入 泥中固定船体的位置，同时主桩升起并相对船体前移复位至初始位置，随后 主桩放下，辅桩升起，开始下一个挖泥周期。小型绞吸式挖泥船在艉部左右 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 对称布置2 根定位桩，挖泥时依靠横移绞车的帮助，左右2 根定位桩轮流从 泥土中插入及拔出，从而使船体前移。挖泥船尺度、挖深、作业区域和绞刀 功率不同，定位桩台车的尺度和型式也多种多样。 定位桩台车系统的主要功能 从绞吸式挖泥船的工作原理来看，定位桩台车必须具备如下基本功能： ( 1 ) 定位桩台车系统要求具有足够的强度和刚度，用来支持定位钢桩， 使挖泥船能以定位桩为转动中心进行疏浚作业； ( 2 ) 定位桩台车系统能够实现船体相对定位桩前移的方式，船体相对定 位桩进行水平方向的相对运动； ( 3 ) 定位桩台车系统可用来提升、下放和锁紧定位桩( 当定位桩垂向的运 动时) ，同时提供引导定位桩在垂向运动的装置； ( 4 ) 定位桩台车系统还可设置倒桩装置，使定位桩能够实现水平方向的 倾倒并放置在船上。从而方便挖泥船的航行和运输。 上面所述是定位桩台车系统所需要提供的基本功能，但对于大型绞吸式 挖泥船而言，随着配置的绞刀和泥泵功率的增加，船体的尺度也增大，为了 提高挖泥船对环境条件的适应性，增加有效作业时间，定位桩台车变得更加 复杂，需要在台车和船体之间提供有效的缓冲装置，以减小风浪和涌浪引起 的船体运动在台车和定位桩内产生过大的作用力【6 】【1 6 1 。 定位桩台车系统构成 根据定位桩台车系统的功能，定位桩台车系统应有如下主要的子系统： ( 1 ) 台车行走子系统； ( 2 ) 钢桩升降子系统； ( 3 ) 台车水平限位子系统； ( 4 ) 台车缓冲子系统，主要用于较大型的绞吸式挖泥船； ( 5 ) 倒桩和立桩子系统； 2 一 a 和 1 1 经 成 浚 中 艘高出了整整一倍还多，足见其雄厚的实力。而荷兰又比排位第三的中国的 1 2 0 艘高出了一大截。此外，比利时、英国、印度、加拿大、印度尼西亚、日 本和巴西按大中型疏浚船数量的先后顺序分别排位4 1 0 名。据有关方面不完 全统计，在1 9 9 4 2 0 0 4 年的1 0 年里，世界上大型、超大型耙吸式挖泥船快速增 加了2 6 艘，新增舱容达到了4 2 万立方米，是此前整整2 0 年新增大耙船舱容的 两倍多。这些船舶特别适合大型疏浚工程的需要，且挖深也大多可达1 0 0 米， 其中有一艘挖泥船甚至达至u 1 6 0 米，效果十分显著。与此相适应，绞吸式和抓 斗式挖泥船亦出现大型化的趋势。总装机功率达到了2 7 1 9 0 千瓦、3 7 0 0 载重吨、 自推进绞吸式挖泥船“i f id en u l ”号，被著名的英国内燃机船杂志列入2 0 0 4 年性能先进并独具特色的l1 艘船舶。该船由荷兰i h c 建造，采用了一系列先 进设计和建造技术，是同年世界上此类船中功率最大的船舶。据称，绞吸式 挖泥船最大总装机功率现已达n 2 8 5 0 0 千瓦，抓斗式挖泥船最大抓斗斗容达到 了2 0 0 立方米，其大型化的趋势令人瞩目1 8 】。 自1 8 8 4 第一条绞吸式挖泥船在美国诞生以来，绞吸式挖泥船经过一百多 年的发展，已经成为挖泥船王国中所占比例最大的船型本世纪9 0 年代以来， 随着世界经济的复苏，国际贸易的不断发展，尤其是世界航运业中超大型集 j a 哈尔滨j 1 二稃大学硕十学何论文 装箱船和油轮的投入运行，世界港口航道的水深相应加深，港区向海域的推 移，带动了疏浚业的发展。另一方面，近年来人工岛的建造和围海造地工程 使得挖泥船的吹填能力大幅度增长，世界疏浚业一度处于繁忙之中。世界上 著名的绞吸式挖泥船供应商当首推荷兰i h c 公司。为了适应内河疏浚业 的发展，i h c 公司于。9 0 年代中期，推出了海狸型和巨人型船体可拆装 运输式液压驱动绞吸式挖泥船系列。欧洲是世界上疏浚实力最雄厚的区域， 仅荷兰的鹿特丹港2 5 m 水深航道的年维护疏浚量就超过了2 3 0 0 万m 。这许 多疏浚工程( 以及未来的疏浚工程) 诱导了世界不少疏浚公司投资建造绞吸式 吸挖泥船。这些疏浚公司除欧洲的几家大公司外，还有亚洲的日本五洋建筑 有限公司、韩国现代重工公司和印度。据有关方面不完全统计，在1 9 9 4 2 0 0 4 年的1 0 年里，世界上大型、超大型绞吸式挖泥船快速增加了2 6 艘，新增舱 容达到了4 2 万立方米，是此前整整2 0 年新增大耙船舱容的两倍多。这些船 舶特别适合大型疏浚工程的需要，且挖深也大多可达1 0 0 米，其中有一艘挖 泥船甚至达到1 6 0 米，效果十分显著【8 l 。 1 2 2 国内疏浚市场 与国家的经济发展相对应，国内的疏浚市场也正呈现出好的势头。为适 应船舶大型化的发展趋势，沿海港口加速建设大型、高效、深水、专业化泊 位和深水航道。如深圳东部港区航道水深为1 6 l8 m ，大连大窑湾港区的进 出港航道也计划浚深至1 5 m 以上。同时，沿海港口布局向河口和外海深水区 发展，如广州、宁波、珠海、大连、福州港都向深水港区发展，上海的洋山 港也在筹划之中。更大水深的航道开发纷纷立项上马。正在进行的长江口深 水航道治理一期航道维护疏浚量不少于2 0 0 0 m j 年，二三期航道的开挖和维 护量将更大。国内几家疏浚公司的现有疏浚力量己难以达到顾此及彼的心愿。 疏浚市场需求的不平衡将愈来愈明显。 近些年来，我国部分江河湖泊的水灾频繁，特别是1 9 9 8 年的长江特大洪 水，造成了国家和人民财产达数干亿元的损失。究其原因，除了上游水土流 4 一 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 失严重、江河湖泊堤防年久失修和防洪标准较低等因素外，河口湖泊泥沙大 量淤积，河床逐年抬高，河道泄洪能力不足也是另一方面的原因。因此，为 疏通江河水道而引发的“百船工程 成了国内水利建设上的热点，巨大工程 量的疏浚和吹填量工程将成为国内疏浚市场需求的重要源头1 1 2 】。 对疏浚能力位居全球第三的中国而言，疏浚市场的发展凸显强大的生命 力和良好的市场前景。据中国疏浚协会提供的有关数据显示，除了各类大中 型疏浚船拥有量不低外，其拥有的所有挖泥船及疏浚辅助船舶约达千余艘， 份量重、潜力大、后劲足，且后续挖泥船的交付接连不断，年疏浚能力超过 5 3 亿立方米，其中交通系统约占6 0 。近几年来，开发、建造挖泥船以疏浚 装备的大型化为显著特征，加快了疏浚速度，提高了疏浚效率，提升了疏浚 档次，取得了良好的疏浚效益。此外，挖泥船采用了复合驱动方式，有效地 保证了施工进度，装机功率得到了充分利用。挖泥船自动控制集成化程度提 高，在控制室里，现在根据需要配备一名操作员，轻点鼠标，即可完成有关 的操作程序，不必再花费较多的人力。挖泥船配套设备模块化、小型化。 我国最早于1 8 9 1 年在黄浦江航道上开始使用机械疏浚，1 9 0 2 年在海河开 始使用吹泥船进行吹填疏浚及滩涂造地，经过近三十年的探索，我国第一艘 链斗式挖泥船问世，据中国疏浚协会提供的有关数据显示，除了各类大中型 疏浚船拥有量不低外，其拥有的所有挖泥船及疏浚辅助船达千余艘，分量重、 潜力大、后劲足，且后续挖泥船的交付接连不断，年疏浚能力超过5 3 亿立方 米，其中交通系统约占6 0 。随着中国北方天津港发展步伐的加快，为保证 天津港2 5 万吨级航道的施工任务按期优质地完成，天津航道局最近租用了世 界最大的自航耙吸式挖泥船、荷兰b o s k a l i s 公司3 5 0 0 0 立方米舱“f a i r w a y ” 号，以及荷兰v a no o r d 公司1 0 0 1 0 0 立方米舱容的“v o l v o xa s i a 号大型自航 耙吸式挖泥船。这两艘“巨无霸”使工程施工进度大大提速，施工效率得到了 很大提高。沪东中华造船( 集团) 公司建造的5 0 0 0 立方米自航耙吸式挖泥船 “神华 号，这是我国在这类高技术、高附加值船舶建造领域的一大明显突 破，这是该公司船舶建造取得的新成果，由此填补了国内空创8 】【1 3 】。 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 1 2 3 定位桩立放方式的现状 定位桩用来实现固定船体及船舶行走的作用。根据所掌握的国内外有关 资料及实际使用中可以归纳出，挖泥船的移位系统大致有如下几种类型： ( 1 ) 锚绞车移位 锚绞车移位方式主要是依靠四只定位锚中的首尾锚用来移位，主锚提供 牵引的动力，边锚负责调整船舶姿态。这种移位方法虽然简单，但是操作比 较麻烦，依靠抛锚艇抛锚，增加船员工作量或船员数量，同时移位和定位精 度差，使生产效率降低。但此种挖泥船的移位系统在抓斗式、绞吸式、链斗 式等挖泥船上应用的也较为广泛。 ( 2 ) 斜桩移位 斜桩移位的船舶移动方式是借助三根桩的轮流定位动作来实现船舶移位 的。由于桩体的插入深度受到土质、床底、船舶吨位等诸多因素的影响，若 桩体插深度过大则桩体的扶正工作操作困难，被选作支点的部位强度要求较 高；若桩体插入的深度过小，则支点处所提供的撑力不足，存在着有时船移 位困难的可能性。此种船舶移位方法的定位精度比锚绞车定位法高，且无需 辅助船舶。斜桩移位的缺点在于船的前移距离随水深变化仍不能很准确控制， 所以这种方法主要应用在小型的挖泥船上，如挖深较浅的反铲挖泥船。 ( 3 ) 定位桩台车移位 定位桩台车移位是用定位钢桩定位，台车借助油缸推拉的移位方式，这 种方法的不足之处在于，定位桩台车装置的结构较复杂，造价较高。这种船 舶移动方法的优点在于它能够通过台车行程发送指示信号准确控制前移距 离，弥补了以上几种定位、移船方法的缺点，适用范围不受河道宽度的限制。 其性能优良，应用范围广。将其应用在大、中型的反铲式挖泥船、绞吸式挖 泥船及斗轮式挖泥船等疏浚设备上可以提高其生产效率。因此深受广大船舶 用户的欢迎。 对尾桩台车是定位桩台车系统的重要形式，下面对尾桩台车装置两种形 式做简单比较： 6 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 ( 1 ) 齿轮、齿条式尾桩台车装置 齿轮、齿条式尾桩台车装置主要是由油缸、油马达、平台、轨道、升降 桩、油管导向架等组成。平台在轨道中由四个支承轮支承，依靠油缸的伸缩 提供其在轨道中移动的动力。而升桩机构安装在平台中央的导向座内，由马 达驱动小齿轮，而小齿轮与装在桩上的齿条啮合，驱使桩升降，并将桩插入 泥中。当油马达卸载时桩与船的运动不发生关联，为自由串动将船定位。其 优点为结构简单、紧凑、重量轻、造价便宜 6 1 。 ( 2 ) 钢索、绞车式尾桩台车装置 钢索、绞车式尾桩台车这种装置对尾桩的负荷负荷承载能力要求较高， 一般配备单并两索和双并四索两种压拨桩方案，单并两索用于不需要抬船的 尾桩定位装置，此种装置配备的绞车功率较小，尺寸也较小，根据相关的船 舶设计要求，尾桩应与首桩一样要将船抬高0 3 0 5 m ，所以要求压拨桩的负 荷承载能力较大，故相对而言采用双并四索方式可以减少绞车的拉力，使钢 索拉力仅为压拨桩力的四分之一。双并四索式尾桩肩负着抬船、移位的双重 任务，因此对台车的结构强度有严格要求。 该两种型式的结构大致相同，主要由移位油缸、升降绞车、滑轮组、钢 桩、平台、轨道、移距传感装置系统、油管导向架、拖链、固定装置等组成。 平台在轨道中由四个支承轴通过上下八组导向轮支撑在轨道中，依靠油缸的 伸缩驱使台车在轨道中移动。油缸固定在主船上，而桩空套在平台的导向套 中，由钢索滑轮组支撑着作上下移动，绞车固定在平台上，起着卷绕封闭钢 索的作用，其滚筒系为带绳槽，为单层卷绕，绳端不固定在绞车上，两个绳 端分别通过平台上的导向滑轮引向桩上的上、下导向滑轮而固定在平台上【6 】。 对于双并四索压拨桩，钢索则通过桩上的上下导向滑轮后，固定在平台 上。对绞车来说构成了封闭索，然后依靠绞车的正反转带动桩的升降，进行 压拨桩当船要移位时，将桩插入河底土质中，然后伸缩移动油缸，由于油缸 与轨道固定在船上，而桩与平台在轨道中，相对固定于河底，所以船产生移 动。移距可由油缸的伸缩长度来确定。为了在控制室能知道船的移距而在轨 7 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 道的箱形结构上固定一只传感器，由卷筒引出牵引钢丝与平台连接，通过传 感器的转角讯号，再通过计算机处理换算成实际移距显示，或采用光电脉冲 测量显示。当平台移动时，平台上绞车的动力油是通过高压软管输送来的， 由于移距较长，高压软管来回运动，为了保护高压软管! 而设置高压软管导向 架通常为拖链，使高压软管在具有一定的曲率半径下有规则的运动! 延长高压 软管寿命。为了减小支承轮与轨道的接触应力，也可采用滚子链的型式，使 接触面扩大。同时也便于维修更换。 升压桩绞车的原动机为斜轴式柱塞液压马达，并通过一级平行轴齿轮和 两级行星齿轮机构减速器，与离合器联接，再通过一对开式齿轮减速传递滚 筒，滚筒与大齿轮联为一体，脱开离合器，绞车处于浮动状态，合上离合器 能借助减速箱高速端的多片制动器进行制动。为了使平台能承受垂直力及力 偶矩，平台上下两侧设有两组轨道，对固定方式也作了考虑，桩不工作时的 固定，采用螺杆式销轴，锁入桩上两侧销孔。平台的固定利用定位销锁住平 台【1 6 1 。 本形式的优点：移距准确，承载力较大，耐冲击”油马达的工作条件较好。 其缺点：结构相应占甲板面积较大。 目前，挖泥船定位桩的立放方式主要有以下几种： 1 吊车吊动的方式 这种借助吊车将定位桩吊起及放倒的方法，简单易操作，且可靠性高但 其局限性很大，吊车在岸上施吊，故只适河道合较窄的作业区域，所以这种 方法使用的极少。 2 绞车与钢丝绳的立放方式 采用这种立放方式时，由于钢丝绳只能提供拉力，所以在倒桩时，定位 桩和一起倾倒的其他设备的总的重心必须在倾倒旋转中心之下的一定距离， 使钢丝绳始终具有一定的张力，依靠绞车的收放钢丝绳来实现定位桩的立放。 因此绞车与钢丝绳的立放方式需要较大的工作水深，故这种方式应用的也不 是很广泛。 8 哈尔滨f t 程大学硕十学何论文 3 液压油缸立放桩方式 液压油缸为双作用，可以提供拉力或推力，所以在倒桩时，定位桩和一 起倾倒的其他设备的总的重心可以在倾倒旋转中心之上一定距离，因此需要 的立桩及倒桩工作水深小，可以实现潜水立放桩。在典型的液压油缸倒桩过 程中，液压油缸先提供拉力，待定位桩旋转一定角度后，液压油缸变为需要 提供推力。 综合比较以上几种定位桩的立放方式，不难看出，液压油缸定位桩立放 方式较其他两种立放桩方式要优越些，故本文以液压油缸立放桩方式为例， 进行分析研究。 1 3 课题主要内容 就应用最为广泛的液压油缸定位桩立放方式以5 0 0 m 3 h 绞吸式挖泥船定 位桩立放方式为例作迸一步分析研究。 研究内容分如下四部分： 1 建立数学模型，对定位桩的立桩和倒桩过程进行分析。 2 建立三维c a d 模型，便于后续得到入水部分的体积及形心的数值。 3 利用v c 编程，得出立桩及倒桩过程中所需的油缸力，继而得到油缸 力变化曲线，分析油缸力的变化趋势，得出定位桩立放过程中的最大油 缸力。 4 建立有限元模型，用a n s y s 进行应力分析，验证此种方法的可行性。 9 哈尔滨丁稃火学硕+ 学位论文 第2 章立桩及放桩分析 2 1 定位桩立放原理 由于定位桩的长度和重量都较大，挖泥船由一个工作区域调遣到另一个 工作区域或者需要过桥时应将定位桩水平放置在船上，便于安全航行，而挖 泥船在进行疏浚作业时要将定位桩插入泥中用来固定船体。定位桩由水平放 置到借助于外力竖直插入到泥中的过程称为立桩，倒桩为其反过程。本文主 要从定位桩立放桩过程中的力矩平衡出发，计算立桩及倒桩过程所需要的外 力。下面介绍定位桩立桩过程所需油缸力的计算方法： 水对定位桩产生的浮力及力矩： 磊= a g ( 2 - 1 ) m n l = 磊x ( 2 - 2 ) 其中：水下体积及其形心坐标x 由三维c a d 得到； 水密度p 取1 0 2 5 吨m 3 。 重力产生的距： m o = g c o s f l g 西 ( 2 - 3 ) 需要外力提供的力矩： m 怠= m 浮七m g 蚝= f x s i n a 。0 5 + c c o s o ! o 5 只= f s i n pe = f c o s f l f 2 = ( c ) 2 + ( e ) 2 其中：g t 钢桩与水平方向夹角 卜油缸力与竖直方向夹角 f 卜油缸沿水平方向的分力 f y _ 油缸力沿竖直方向的分力 l o ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 7 ) 图2 2 定位桩整体图 哈尔滨丁程大学硕十学位论文 一 2 如 ) q 0 0 一 尸 厂 广卜尸气 ? r 广1， 、冬；仫 窜曼7a 7 f a 曼扃 骶 飞 飞 1& 到l 2 q 6 0 0l 一i 。 16 n 0 2 6 l ， _ 一一 h n l l _ 一一v 1 、|彳 j 一 u04 ，a 图2 4 定位桩部分放大图 图2 4 中a 向视图为定位桩尖端的放大图，成交差的十字形部位为定位 桩首部的四个飞翅的正视图形状，视图a a 为定位桩桩身的穿孔的剖面 图，由图可以看出，圆孔是横穿过定位桩的。 1 2 哈尔滨t 程人学硕士学位论文 图2 5 定位桩尾部放大图 定位桩在制作过程中也是有严格要求的技术要求的，制作工艺的好坏直 接影响定位桩的工作性能和工作寿命( 本文后续2 4 中会做详细的介绍) 下面 就对本定位桩的制作过程提出一些技术上的要求： 1 铸件表面应清洁，不应有多肉，结疤和粘沙等存在，铸件表面不允许 有裂缝、砂眼、气孔、缩孔、夹渣及其他机械加工不能消除而影响质量的缺 陷，如有上述缺陷，允许将缺陷产出后用焊补方法修复。 2 焊接的柱体表面要清洁，焊缝不允许有裂缝、未焊透、夹渣、咬肉和 气孔等缺陷，横向焊缝应用x 光进行检查，不合格的焊缝应铲除重焊。 3 柱体纵向接缝各段板相对错开1 8 0 度，可根据实际板材规格适当增加 横向接缝，但板厚分布应按图所示。接缝应避开插销套管。纵横焊缝磨平。 4 定位桩内表面应在合拢前进行铲除。定位桩制成后内部表面灌涂沥青 漆二度，不允许漏涂。 5 定位桩内部涂漆前做充气压力为o 0 3 m p a 密性试验。 2 2 2 定位桩各部分 1 桩尖 桩尖部分为一实体，外围附有四个飞翅，它的主要作用是便于完成定位 桩顺利插入泥中的操作，固定船舶进而实现疏浚作业。桩尖实体图形如2 6 所示： 2 桩体 桩体为定位 度有所不同，它 3 插销套管 插销套管也是定位钢桩的重要组成部分，它是定位桩立桩及倒桩过程中 固定钢桩托架的着力点，也是定位桩升降过程中的提升力的着力点。如下图 2 8 所示： 1 4 图2 9 定位桩旋转图 液压油缸定位桩立放方式的装置主要有支撑装置( 本设计中为两根强度 哈尔滨工程大学硕+ 学位论文 足够的立柱状的装置台) ，油缸以及钢桩托架，其中支撑装置分别用来支撑 定位桩和支撑油缸，支撑点相距5 0 0 m m 。 定位桩在立桩过程中油缸与转动支撑点处于同一高度上，在本文中支撑 装置置于挖泥船甲板上，高度设置为2 m ，而挖泥船的设计水线距船甲板高度 为l m ，钢桩托架固定在定位钢桩上，定位桩依靠刚装托架与转动支撑点及油 缸连接，而钢桩托架通过销轴与转动支撑装置连接，这样他们可以相对的转 动，油缸与钢桩托架以及油缸与支撑装置也是通过销轴连接，也可以相对转 动，定位钢桩在转动过程中油缸提供推力，定位钢桩在油缸力的作用下发生 旋转运动，此时由于力的相互作用，油缸与钢桩托架及支撑装置也发生相对 旋转( 如图2 1 0 中油缸与定位钢桩相对转动点的运动轨迹) ，这样也可以减 少他们之间的摩擦，增加使用寿命。显然当定位桩立到竖直状态时油缸的行 程最大，油缸力会随定位桩的旋转角度的不同而变化。 立桩的具体过程为首先油缸提供推力，定位钢桩与刚装托架一起在油缸 力的作用下绕着前转动点转动，逐渐的立起，油缸同时也绕后支点转动，油 缸与刚桩托架之间也要发生相对的转动，这就是立桩的大致过程，至于需要 油缸提供的力有多大，以及油缸力的变化情况要经过下面的具体计算后才会 得出结论，另外，在立桩的过程中，油缸活塞杆的进速要尽量控制的缓慢， 因为定位桩的质量很大，惯性就很大，立桩的速度过快则定位桩有可能在惯 性的作用下发生意外事件，伤及周围的人或砸到重要的设备。 利用液压油缸进行定位桩立放桩时，各部分的运动归纳起来可为钢桩托 架绕支架相对转动、钢桩托架绕油缸相对转动、油缸绕支架相对转动。如图 2 1 0 所示： 1 6 哈尔滨 _ 程大学硕十学位论文 图2 1 0 油缸与刚桩托架及转动点的相对运动图 首先对定位桩的立桩过程进行受力分析，在立桩过程中，定位桩受到自 身的重力、水的浮力以及使定位桩顺利实现立桩的油缸力的作用，并且浮力、 浮力对转动点产生的力矩以及重力对转动点产生的力矩都会随着刚桩的转动 而发生变化。这些力及力矩的变化导致对于立桩时需要油缸提供的力也随着 所取转动点的不同而变化，所取的定位桩立桩时的转动点不同，转动点距定 位桩尖端的长度不同，那么当定位桩转到相同角度时所受到的浮力就不同， 也就是说，转动点不同，立桩所需油缸力也就不同，为了使所得到的结果具 有一般性，而且更加具有说服力，因此，本文取5 个不同的转动点分别进行 计算。由于挖泥船的工作水深一般在1 5 m 一3 m ，所以所取得转动点不宜距离 尖端太远! 为使计算具有实际意义，本文取水下部分为1 6 m _ 3 1 m 不等的5 个点进行计算，比较分析。本章的计算依据为定位桩在立桩的过程中要保持 对转动点的力矩的平衡，这里面主要有重力对转动点的力矩，浮力对转动点 的力矩及油缸力对转动点的力矩。 1 7 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 1 1 2 4 定位桩易断部位分析 2 4 1 施工建造方面 断桩的部位，大多是在焊接接头处( 郑州花园口水源厂的1 2 0 m 3 h 绞吸 式挖泥船的几次断桩都是由此原因导致) 根据断桩部位的情况分析，存在如 下几种缺陷。 1 定位桩接头焊缝内部有气孔、夹渣现象。 焊接时，熔池中的气体在金属凝固时未能及时逸出而残留在金属内，便 形成气孔。气孔导致焊缝的有效工作面减少，强度降低，弯曲强度和冲击韧 性也会大大降低，引起应力集中，导致整个金属结构断裂。 2 接头焊缝未焊透或未融合。 在焊接时，接头的根部没有完全熔透；焊道与母材、焊道与焊道之间也 没充分的熔合，这两种现象都直接降低接头的机械性能。未熔合处的缺口及 端部是应力集中点，承载后最易产生裂纹。定位桩长期在弯、扭组合应力的 作用下，在这些部位就会发生断裂。 3 焊后没有进行必要的处理。 焊后没有及时的进行必要的处理，会导致桩体和接头部位强度、韧度不 一致，内应力没有消除。由于这些内应力的存在，使桩体接头的强度大大降 低。 另外，桩体接头在结构上没有采取加强措施，使桩体接头处的强度难以 保证。 4 焊条材料的选取 在焊接时，是否选取了与桩体材料相符的焊条也是很重要的。酸性焊条 会产生气孔，所以，在焊条配方中适量加入药皮的脱氧作用，可以防止由于 产生一氧化碳导致的气孔。碱性焊条如果含有水分或焊件坡口清理不当，焊 接时极易产生气孔。 1 8 哈尔滨1 二程大学硕士学位论文 此外焊接工艺也直接影响着焊接质量。 2 4 2 生产运行方面 绞吸式挖泥船在生产运行中，由于定位桩长期受到弯、扭组合的作用力， 或操作失误，或定位桩挂地受阻等原因，都可能引起其发生断裂。现就生产 运行中存在的问题作以下分析。 1 绞吸式挖泥船的作业过程，是以定位桩固定为圆心，绞刀作扇形摆动 工作。抛锚牵住船的位置。作业时，抛锚的位置很重要，既不能过于向前， 也不能过于向后，应抛在适当的位置。因为过于向前或过于向后都会给定位 桩施加一种水平力，长期在水平力的作用下工作，会使定位桩发生弯曲或者 断裂。如郑州花园口水源厂的船只，都是用的固定锚，因距离远而无法调整 锚位。正确的作业方式，应根据挖泥的位置变化，随时调整锚的位置，使锚 缆能够牵住船只。当锚缆对船的作用力同绞刀工作对定位桩的水平力在一条 直线上时，此水平力的作用可被抵消一部分。这样就可以减小水平作用力对 定位桩的破坏。 2 挖泥船在开挖过程中，以主桩为圆心，在左右移绞车的拉力下，作弧 线开挖运动。由于水下作业，开挖的底面高低不平，或者是定位桩副桩起升 的高度不够，或者是定位桩自动下滑，都会因挂地受阻造成定位桩弯曲或断 裂。这就要在开挖过程中特别注意，工作面要挖平整，提桩高度要到位，时 刻观察各种机械情况是否运转正常，以尽量避免定位桩挂地受阻而造成弯曲 或断裂。 3 有时作业人员操作失误也会造成定位桩断裂。挖泥船在停泊或在施工 停挖时，不能下双桩，即主副桩不能同时固定。如果需要下双桩时，操作人 员应坚守岗位，防止误操作，绝对不能起动左右移绞车。在风大、流急时也 不能下双桩，因风力或水流冲击力会使定位桩受力弯曲或断裂。在施工过程 中，挖泥船进桩时，放下副桩，提起主桩；进桩后，放下主桩，提起副桩开 始开挖。在这一交替操作过程中，有的作业手由于不熟练或者是把过程中的 1 9 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 哪一个环节忘记了，都会造成双桩不起或起不到位而别桩受力，把定位桩别 弯或别断。因此，在施工过程中应避免操作失误，才能保证定位桩的正常使 用寿命。 4 定位桩在立放过程中要受到各种力的作用，如水的浮力、立桩力或倒 桩力以及钢桩自身重力等，在这些力的作用下定位桩的也可能出现强度不够， 应力过大等现象。 总的来说，要想保证挖泥船定位桩的正常使用寿命，应做到设计合理， 制造合格，使用时要注意，抛锚的位置要适当，工作面开挖要平整，停船时 不能下双桩，提桩要到位，施工当中要勤观察，加强责任心，苦练基本功， 防止错误操作。只有做好以上几方面，才能保证挖泥船定位桩的正常使用寿 命。 2 5 本章小结 本章主要介绍了定位桩的立桩以及倒桩的原理和过程，给出了要研究的 定位桩的具体尺寸和形状图；对定位桩的易断部位进行了较为详细的介绍。 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 第3 章立桩及倒桩力的计算 3 1 软件简介 3 。1 1 三维a u t o c a d 第二章中已经提到，为得到定位桩立放过程中的油缸力及其变化趋势， 在浮力及其力矩的计算过程中涉及定位桩水下部分的体积及其形心位置的计 算，这两个数值本文中利用三维a u t o c a d 来得到。 a u t o c a d 是由美国a u t o d e s k 公司于二十世纪八十年代初为微机上应用 c a d 技术而开发的绘图程序软件包，经过不断的完美，现已经成为国际上广 为流行的绘图工具。a u t o c a d 可用来绘制平面图形也可以利用它得到三维的 图形，a u t o c a d 具有良好的用户界面，通过交